无线遥控音乐门铃的设计与制作

目录

摘要 (1)

一、绪论 (2)

（一）我国发展智能住宅小区的前景 (2)

（二）开发研究无线遥控音乐门铃的意义 (2)

二、系统硬件电路设计 (2)

（一）单元电路的选择 (2)

1.发射机单元电路的选择 (2)

2.接收机单元电路的选择 (3)

3.单元电路设计的其他方案 (4)

（二）硬件可靠性及抗干扰设计 (5)

三、系统概述 (6)

（一）方案选择及其论证 (6)

（二）系统的工作原理 (6)

1.反相器原理 (7)

2.发射板原理 (7)

3.接收板原理 (8)

（三）系统设计原则与结构 (9)

1.系统的设计原则及指导思想 (9)

2.系统结构 (9)

（四）功能简介 (10)

四、工艺流程与电路图设计 (10)

（一）产品组装主要工艺流程 (10)

（二）电路原理图、PCB板图的设计 (11)

1.使用相关软件的介绍 (11)

2.如何绘制原理图 (11)

3.PCB板的生成 (12)

（三）电路仿真图的设计 (14)

（四）抗干扰设计 (17)

致谢 (18)

参考文献 (19)

无线遥控音乐门铃的设计与制作

摘要

随着微电子技术、无线技术和网络技术的飞速发展以及人们生活水平的大幅度提高，人们对居住环境的安全、方便提出了越来越高的要求，尤其是在智能化住宅中，人们迫切需要一种不仅安全可靠、使用方便等优点于一体的智能门铃产品，因此无线遥控音乐门铃系统的设计成为本课题研究的目标。

本文介绍了一种新型无线遥控音乐门铃,它采用具有编码功能的遥控发射-接收专用集成电路.结合高音质机电式音乐门铃做声源,成为一种声音动听、门铃按钮与声源之间免去连线、安装方便的新型遥控高音质门铃.这种门铃具有功耗低,电路简单可靠,抗干扰能力强,遥控距离远,电路体积小等优点,其接收电路连同机电式音乐门铃为一体,可以随意放置在室内有220V交流电源的地方,还可变换门铃各种音乐，使声音悦耳动听，满足不同人的生活需要，具有广阔的发展前景.

随着微电子技术、无线技术的发展，由开始的按钮门铃到现在的可视对讲门铃、智能数码门铃，发展速度不断飚升。针对目前世界范围内经济严峻形式和我国经济运行面临新的不确定性因素，如何根据急剧变化的外部经济环境调整企业发展规划和经营方针，成为摆在我国无线音乐门铃企业面前亟待解决的问题。在全球金融危机形势下，无线遥控门铃企业的发展需要我们不断研究、不断创新，向着产品智能化、数字化、信息化方向发展。

该无线音乐门铃用TC4069集成块来作发射和接收主电路，该电路用先进的脉码调制发射及石英晶振稳频技术，接收由解调、放大、整形、声响电路组成，性能稳定，遥控距离远，功耗低等特点。

关键词：无线遥控、TC4069、TQ33G

一、绪论

（一）我国发展智能住宅小区的前景

随着科学技术的飞速发展，全球经济国际化和社会信息化的浪潮汹涌澎湃。住宅功能也日益增强，智能住宅与智能小区应运而生。欧美、日本等发达国家从七十年代就开始加强这方面的研究，并专门成立了现代住宅开发公司，建造了一大批样板智能住宅。我国对智能住宅的研究还刚刚起步，但其发展相当迅速，一具有一定智能化水平的住宅在我国一些大城市（如上海、南京、广州等）兴建。住宅智能化作为科学技术与现代住宅的桥梁，不断丰富住宅的艺术内涵，不断满足人们信息共享及先进的物业管理的必然要求，相信经过致力智能建筑的设计者和建设者的共同努力，不远的将来会在中国的大地上涌现出一大批智能化住宅。

（二）开发研究无线遥控音乐门铃的意义

所谓无线门铃是针对传统的有线门铃而讲的。传统的门铃都为有线门铃，使用方便，极大地方便了大家的生活。如果在豪门大院或经常听不到门铃声的房主，有时总会不能及时接待来客，很是尴尬。传统的门铃布置采用导线将门铃的各个设备连接到一起，随着技术的发展，无线技术得到广泛的应用，这就出现了无线门铃！简便、灵活的无线安装设计，免去安装时的麻烦及支出，不影响装修美观。空旷地带遥控距离长达100米，超长的能达150米，能满意各式住宅及高层楼宇需求。实际遥控距离视使用环境因素而变化。而且无线遥控音乐门铃能发出各种不同的优美音乐，用户可以通过转换开关选择喜欢的音乐。门铃安装时太靠近金属物会缩短遥控距离。耗电极微，开关内置可更换12伏电池，不按动时不耗电。正常使用寿命为一年（按20次/天）。接收器插电使用时，功率消耗为1W，等于一年只耗一度电。按钮可装可贴，即使家庭主妇，亦可容易完成安装。门铃装入室内，随意插入任一电源即可，门铃温度60摄氏度为正常。在现代家庭中，利用无线电技术制成的无线门铃和无线防盗报警器已广为应用，但目前市面上所售无线门铃以简易型居多，即遥控器与接收器间的数据传输采用非编码式，这种门铃生产成本较低。

二、系统硬件电路设计

（一）单元电路的选择

1.发射机单元电路的选择

（1）调制级电路选用一块TC4069和32.768KHz晶体完成（见下图），TC4069是6反相器。TC4069可以换用CD4069，选用该芯片主要是可以产生稳定并在一定范围内的频率。本电路关键在于晶振X1和频率调整。而X1取决于购买，调频率取决于技巧。X1在电子商场不易购到，可以到一般的小学校门口或一元商店去买两只普通的电子表，回来拆下其中的晶体就是32.768KHz。

图3-1-1 调制级电路

（2）高频振荡级选用Q1、L1、C3和6P电容C1组成高频振荡级（见下图）。L有一定的要求，否则接收的频率和发射的相差太大也是不能收到信号的。它是做在印刷板上的铜箔，规格可做成矩形或圆形，铀箔宽度为1.5mm，外形长宽为1.2cm X 2.7cm,或直径2cm,量内框。因为接收端的频率可调，所以L1的制作只要大体上接近上面的规格即可。这个矩形或圆形线圈不能用漆包线去做，否则就算调好了日后也容易跑频，发出的信号不能被正常接收到。

图3-1-2 高频振荡级电路图

2.接收机单元电路的选择

(1)接收电路主要有振荡接收电路接收信号经过解调、信号放大、选频整形、推挽放大使喇叭发声。振荡接收电路主要由Q3、L2、C4、C16组成超再生振荡接收器（如图4-1-3）

图3-1-3 超再生振荡接收电路图

(2)信号放大、选频整形电路选用TC4069、Q2和晶振X2组成，X2的选择和X1一样，

前文已阐述。

图3-1-4 信号放大、选频电路

3.单元电路设计的其他方案

（1）发射机高频振荡级电路还可以用一块TWH630微型无线电发射头代替，当按下发射按键SBl时，它通过内藏天线向空中辐射高频信号。调制振荡器采用一块普通555时基集成电路，将其接成自激多谐振荡器，方波信号由电阻器R3加到TWH630的输人端IN对辐射的高频信号进行调制。接收板也相应接一个TWH631无线电接收头电路图如下：

图3-1-5

调制振荡器采用一块普通555时基集成电路即可完成TC4069的功能，利用555构成多谐振荡电路，如下：

图3-1-6

（2）发射板中用的电池为12V电池，考虑到在我们日常生活中12V电池很难买到，而1.5V电池比较常见，因此，为了更换电池的方便，设计一个升压电路，使电源电压达到12V供电要求。（设计电路如下）

图3-1-7

其中，标有14的输入端接在TC4069的14脚上；按AN，Q1、L2、R1组成的升压电路把1.5V直流电转换成交流电并升压，D1整流，C1、C2滤波为发射电路提供电源。

（3）发射板电路还可采用下图电路，其优点在于不要用TC4069芯片，电路较简单，缺点在于其输出发射频率不稳定，致使接收和发射频率相差较大。

图3-1-8

（4）接收板超再生振荡接收电路也可如4.1.2(1)所述把该电路接收器换成一个TWH631无线电接收头。

（二）硬件可靠性及抗干扰设计

在电子系统设计中，为了少走弯路和节省时间，应充分考虑并满足抗干扰性的要求，避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施。形成干扰的基本要素有三个：

1.干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：du/dt， di/dt大的地方就是干扰源。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。

2.传播路径，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。

3.敏感器件，指容易被干扰的对象。如：A/D、D/A变换器，单片机，数字IC，弱信号放大器等。抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能。（类似于传染病的预防）

该门铃电路抗干扰设计采用了超再生振荡接收电路，并在接收电路后级设计了一个晶振用来选频，确保接收板接收到发射板信号后才响铃，避免了其他相近信号的干扰。

三、系统概述

（一）方案选择及其论证

1.系统的组成：该无线音乐门铃由发射模块和接收模块组成，用TC4069集成块来作发射和接收主电路。发射器由调制振荡级和高频振荡级两级组成，Q3、L2、C4、C16组成超再生振荡接收器，音乐芯片采用TQ33G，可以发出三种音乐（双音叮咚，西敏寺，爱丽斯），可以转换开关选择喜欢的音乐。

2.方案选择：该电路用先进的脉码调制发射及石英晶振稳频技术，接收由解调、放大、整形、声响电路组成，性能稳定，遥控距离远，功耗低等特点。该方案主要是通过振荡产生、发射和接收信号，再经过整形放大推动喇叭发音。

（二）系统的工作原理

发射器由调制振荡级和高频振荡级两级组成。调制级电路由一块TC4069和

32.768KHz晶体完成，TC4069是6反相器。所谓反相器，就是反相器都有两端，输入端是高电平时输出端就转为低电平，输入端是低电平时输出端就为高电平，输入和输出端的电平总是相反。如图1脚和2脚为第一个反相器，本文称反相器1，之后称反相器2、3、……，总共TC4069有六个。

图4-2-1 TC4069内部电路图

图4-2-2 TC4069

1.反相器原理

反相器由一个P沟道增强型MOS管和一个N沟道增强型MOS管串联组成.通常P沟道管作为负载管，N沟道管作为输入管.。两个MOS管的开启电压VGS(th)P0,通常为了保证正常工作，要求VDD>|VGS(th)P|+VGS(th)N。若输入vI为低电平(如0V),则负载管导通,输入管截止,输出电压接近VDD。若输入vI为高电平(如VDD),则输入管导通,负载管截止,输出电压接近0V。

图4-2-3 反相器原理图

2.发射板原理

发射器开关按下时，反相器1和2及相关元件组成振荡发生器，产生32.768KHz低频信号。过程：反相器1的1脚开始为低电平，2脚就是高电平，4脚也为高电平。2脚的高电平经R2对晶体X1充电，充电电流经R2-X1-反相器2的4脚到负极。充电时间由X1决定，等效电容为200P。由于X1的充电，X1上的电压逐渐上升，当升至反相器1的翻转电平时，2脚就由原来的高电平转为低电平，4脚也同时转为低电平。X1开始放电，放电通路为R2-反相器1的2脚-负极。放电后X1上的电位降低，到一定程度时1脚降为低电平了，输出端又翻转成高电平，再次对X1充电，至此已完成一个充放电过程，即一个振荡周期，4脚输出一次低高变化的电平。之后振荡一直持续下去，反相器2的4脚就会一直输出高低不断变化的电平信号。这个信号的频率由晶体决定，为32.768kHz。这个过程在电路实际工作时完成得极快。反相器1和反相器2用于产生振荡信号，反相器3-6并联使用，构成输出控制，能提供20-30mA的灌入电流。反相器3-6的输出端接在发射管Q1的发射极对Q1进行调幅，向外发射电磁波。7脚输出一串数字编码信号，经Q1放大后由L1向外发射。D1为LED信号发射指示。

图4-2-4 发射板原理图

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Q1、L1、C3和C1电容组成高频振荡器，振荡频率由印刷电感L和C3及三极管的集电结电容C2决定。一般为200-270MHz。Q1的发射极如果直接接在负极时就能产生等幅高频波，再接在反相器的输出端就使输出受32.768KHz振荡信号调制，通过印刷电感L 发射信号。按键每按一次就发射一次。

3.接收板原理

图4-2-6 接收板电路图

Q3、L2、C4、C16为超再生振荡接收器，L2为绕制线圈，在直径5mm的骨架上绕制，用0.51漆包线绕3圈，骨架中间用铜芯调节。当L2的振荡频率与发射端相同时，产生谐振，Q3的超再生信号就受发射端的调幅信号控制，L1为色环电感，阻止高频信号通过。超再生振荡电路具有自检波功能，检波后的调制信号在R14上产生压降，经R3、C7送入TC4069进行放大，整形再放大，这由三个反相器13和12、11和10、1和2(三级高增益放大器)完成，C8滤波滤除检波后的高频杂波，使用检波后的有用信号信噪比最大。经三极放大后的调制信号与发射端（低频32.768KHz）同频， X1在电路中起选频作用，同频率的信号能顺利通过，免除了许多不需要的各种外界信号的干扰，选频后的信号送入Q2放大整形，该信号的幅度还较低，经最后两级开路反相放大后输出等幅方波信号。R21限流，C11滤波，对方波进行平滑滤波，并有数十毫秒的延时，也能消除外界尖脉冲对触发电路的干扰，本电路采用TQ33G系列三种声音可选择，双音叮咚，西敏寺，爱丽斯。K1是乐曲选择开关，音乐信号经Q1放大推动喇叭发出优美的门铃音乐声。

TQ33G

TQ33G管脚图

（三）系统设计原则与结构

1.系统的设计原则及指导思想

该无线音乐门铃系统用TC4069集成块来作发射和接收主电路，合理的设计应该在保证产品必备功能的前提下，使制造成本最低，使电路更简单。同时，还要保证系统电路的性能和稳定性，确保电路能正常工作，避免出现因电路电流过大而烧坏元器件的现象。

该系统通过先进的脉码调制发射及石英晶振稳频技术使发射板和接收板产生谐振，通过解调、放大、整形、功率放大推挽喇叭发音。

2.系统结构

发射板工作原理框图

接收板工作原理方框图

（四）功能简介

发射器由调制振荡级和高频振荡级两级组成。接收板由超再生振荡接收器完成接受信号功能，再经选频、放大、整形后使得喇叭发声。当有人按下发射板开关时，发射器开始工作，发射出电磁波信号；接收板产生谐振，经整形、推挽放大使音乐响起。

四、工艺流程与电路图设计

（一）产品组装主要工艺流程

当前电子技术发展日新月异，电子绘图和制板技术专业化程度越来越高，电子CAD 技术已经成为专业基础技术。Protel 99 SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。美国ACCEL technologies公司于1988年推出了当时非常受欢迎的电子线路CAD软件包—TANGO，可以说是Protel的前身，Protel Technology公司收购ACCEL Technologies公司，推出了protel for DOS软件作为TANGO升级版本。

2.如何绘制原理图

（1）发射板原理图的绘制

a.打开PROTEL99SE,执行FILE—NEW—SCHEMATIC DOCUMENT,建立文件并命名为“无线音乐门铃发射器”.

b.ADD“Miscellaneous Devices.ddb”和“Protel DOS Schematic Libraries.ddb”

c.在这两个库中选择所需要的集成电路、发光二极管、晶振、三极管、色环电感、开关、电阻、电容等。

d.将所有的元器件排好进行连线。原理图如下:

图5-2-1

（2）接收板原理图的绘制

a.打开PROTEL99SE,执行FILE—NEW—SCHEMATIC DOCUMENT,建立文件并命名为“无线音乐门铃接收器”。

b.ADD“Miscellaneous Devices.ddb”和“Protel DOS Schematic Libraries.ddb”

c.在这两个库中选择所需要的集成电路、发光二极管、晶振、三极管、色环电感、开关、电阻、电容等。

d.将所有的元器件排好进行连线。原理图如下:

图5-2-2

3.PCB板的生成

（1）无线音乐门铃发生器PCB板的生成

执行Design—creat netlist生成网络发生器表，

再执行Auto route命令，生成PCB板。PCB板图如下：

图5-2-3

3D效果图如下

图5-2-4

（2）无线音乐门铃接收器PCB板的生成

执行Design—creat netlist生成网络接收器表

再执行Auto route命令，生成PCB板。PCB板图如下：

图5-2-5

3D效果图如下

图5-2-6

（三）电路仿真图的设计

利用Multism7仿真软件绘制电路图，TC4069用六个反相器代替，在具体电路仿真时可去掉有干扰的反相器，如发射板电路的设计，发射板仿真电路,缺少四非门并并联提高灌电流部分。接收板电路和门铃相接相部分未画.测试电可灵活变化,仿真图如下：

图5-3-1 发射板电路仿真

图5-3-2 发射板电路仿真波形

图5-3-3 接收板电路仿真

图5-3-4 接收板电路仿真波形（1）

图5-3-5 接收板电路仿真波形（2）

图5-3-6 接收板电路仿真波形（3）

（四）抗干扰设计

1.尽量让时钟信号电路周围的电势趋近于0，用地线将时钟区圈起来，时钟线要尽量短。

2.尽量用45°折线而不用90°折线, 布线以减小高频信号对外的发射与耦合。

3.元件的引脚要尽量短。

4.石英晶振下面和对噪声特别敏感的元件下面不要走线。

致谢

毕业论文暂告收尾，这也意味着我在安徽财贸职业学院的三年的学习生活即将结束。回首既往，自己一生最宝贵的时光能于这样的校园之中，能在众多学富五车、才华横溢的老师们的熏陶下度过，实是荣幸之极。在这三年的时间里，我在学习上和思想上都受益非浅。这除了自身努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。论文的写作是枯燥艰辛而又富有挑战的。老师的谆谆诱导、同学的出谋划策，是我坚持完成论文的动力源泉。在此，我特别要感谢我的指导老师周琳老师。从论文的选题、文献的采集、框架的设计、结构的布局到最终的论文定稿，从内容到格式，从标题到标点，她都费尽心血。没有周琳老师的辛勤栽培、孜孜教诲，就没有我论文的顺利完成。另外，还要感谢我的班主任张世平老师、姚成老师和系主任刘主任。感谢他们三年里对我的细心教导和无微的关爱，是他们培养了我，没有他们就没有我的今天。感谢计算机系的各位同学，与他们的交流使我受益颇多。最后要感谢我的家人以及我的朋友们对我的理解、支持、鼓励和帮助，正是因为有了他们，我所做的一切才更有意义；也正是因为有了他们，我才有了追求进步的勇气和信心。时间的仓促及自身专业水平的不足，整篇论文肯定存在尚未发现的缺点和错误。恳请阅读此篇论文的老师、同学，多予指正，不胜感激！

参考文献

【1】周良权傅恩锡李世馨编模拟电子技术基础（第三版）[M].北京:高等教育出版社,2005 【2】张玉莲编电子CAD(Protel99SE)实训指导书（第一版）[M].西安电子科技大学出版社，2007

【3】林春景编模拟电子线路(21世纪普通高等教育电子信息类规划教材) （第一版）[M]. 机械工业出版社，2009

【4】全国大学生电子设计竞赛组委会编. 全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编. 北京：北京理工大学出版社，2005年3月第1版

【5】[美]Myke Predko 著张晓林等译. 数字电路原理与设计实例解析(Digital Electronics Guidebook With Projects). 北京：电子工业出版社，2004年2月